(57)【要約】【課題】  出力光の偏光状態に関係なくレーザ出力の安定化を図ることができる光励起固体レーザ装置を提供する。【解決手段】  励起光Ｌ１を出射する半導体レーザ１と、励起光Ｌ１によって励起されて発振光Ｌ２を発生する固体レーザ媒質２と、非線形光学素子３から出力される高調波Ｌ３を部分的に取り出す光分岐素子２２と、光分岐素子２２で取り出された高調波Ｌ３を受光して電気信号に変換する受光素子９と、受光素子９の出力を受けて励起光Ｌ１の出力を一定に制御する出力安定化回路１０とを備えた光励起固体レーザ装置２１において、光分岐素子２２は、出力光Ｌ３の一部を反射し残りを透過させる部分反射ミラーでなり、この部分反射ミラーの反射面には、当該出力光Ｌ３のＰ偏光成分とＳ偏光成分とを互いに略同等の反射率で反射させる部分反射膜２４が形成されている。【選択図】        図１
2006237530.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
励起光を出射する励起源と、
前記励起源からの励起光によって励起されて発振光を発生する固体レーザ媒質と、
前記固体レーザ媒質から出力される発振光を部分的に取り出す光分岐素子と、
前記光分岐素子で取り出された発振光を受光して電気信号に変換する受光素子と、
前記受光素子の出力を受けて前記励起光の出力を一定に制御する出力安定化回路とを備えた光励起固体レーザ装置において、
前記光分岐素子は、前記固体レーザ媒質からの出力光の一部を反射し残りを透過させる部分反射ミラーでなり、
この部分反射ミラーの反射面には、当該出力光のＰ偏光成分とＳ偏光成分とを互いに略同等の反射率で反射させる光学膜が形成されている
ことを特徴とする光励起固体レーザ装置。
【請求項２】
前記部分反射ミラーはその表裏面を前記反射面として有し、その少なくとも一方の面に前記光学膜が形成されている
ことを特徴とする請求項１に記載の光励起固体レーザ装置。
【請求項３】
前記部分反射ミラーはその表裏面を前記反射面として有し、一方側の面に前記光学膜が形成されており、他方側の面には前記出力光に対して反射防止となる反射防止膜が形成されている
ことを特徴とする請求項１に記載の光励起固体レーザ装置。
【請求項４】
前記光学膜は、酸化タンタル膜と酸化珪素膜とを交互に複数積層した多層膜である
ことを特徴とする請求項１に記載の光励起固体レーザ装置。
【請求項５】
前記固体レーザ媒質の出力端側に波長変換素子が設けられ、前記光分岐素子には、前記波長変換素子で波長変換された出力光が入射される
ことを特徴とする請求項１に記載の光励起固体レーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ光出力を一定に制御するＡＰＣ（オートパワーコントロール）機能を備えた光励起固体レーザ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、固体レーザ装置として、非線形光学素子を用いて基本波長の逓倍の波長のレーザ光を発生させる波長変換固体レーザ装置が各分野で利用されている。そして、この固体レーザ装置には、固体レーザ媒質をポンピングする励起源に半導体レーザを用いた光励起固体レーザ装置が広く使用されている。
【０００３】
この種の波長変換型固体レーザ装置には、レーザ光の周波数変換効率を向上させるために、一対の反射鏡の間に固体レーザ媒質及び非線形光学素子を配置した内部共振型の構造が多く採用されている。固体レーザ媒質にはＮｄ：ＹＡＧやＮｄ：ＹＶＯ4 等の結晶素子が用いられ、非線形光学素子にはＫＴＰ（ＫＴｉＯＰＯ4 ）やＢＢＯ（β−ＢａＢ2Ｏ4）等の結晶素子が用いられている。
【０００４】
一方、上述した波長変換固体レーザ装置においては、波長変換後の出力を一定に保つために、出力の一部を反射させ残りを透過させる部分反射ミラーと、この反射した出力を電気信号に変換する受光素子と、受光素子から得られた電気信号を受けて励起源である半導体レーザの駆動電流を制御する出力安定化回路とを用いたものがある。
【０００５】
図５は、出力安定化機能を備えた従来の波長変換型固体レーザ装置の概略構成を示している。この波長変換型固体レーザ装置１１は、同軸上に、励起源としての半導体レーザ１と、固体レーザ媒質２と、非線形光学素子３と、固体レーザ媒質２の一端面を平面状に形成した入力側反射鏡４と、非線形光学素子３の一端面に形成した出力側反射鏡５とが配置され、これら入力側反射鏡４と出力側反射鏡５とでレーザ共振器６が構成されている。
【０００６】
入力側反射鏡４には、半導体レーザ１から出射した励起光、即ちポンピング光Ｌ１に対しては反射防止となり、ポンピング光Ｌ１を固体レーザ媒質２へ入射させることによって得られる基本波としての発振レーザ光Ｌ２、及び非線形光学素子３にて波長変換された高調波レーザ光Ｌ３に対しては高反射となるミラーコート膜が形成されている。他方、出力側反射鏡５には、基本波としての発振レーザ光Ｌ２に対しては高反射となり、高調波レーザ光Ｌ３に対しては反射防止となるミラーコート膜が形成されている。
【０００７】
この波長変換固体レーザ装置１１においては、半導体レーザ１から出射されたポンピング光Ｌ１が固体レーザ媒質２へ入射し、固体レーザ媒質２端面の入力側反射鏡４と非線形光学素子３端面の出力側反射鏡５とで形成したレーザ共振器６により、基本波の発振レーザ光Ｌ２を得る。そして、この基本波の発振レーザ光Ｌ２が非線形光学素子３を通過することにより基本波レーザ光Ｌ２の波長変換が行われ、出力側反射鏡５から高調波レーザ光Ｌ３として出力される。
【０００８】
こうして出力された高調波レーザ光Ｌ３は、励起光波長と基本波に対しては非透過で、高調波成分に対しては透過のフィルター７を通った後、部分反射ミラー８によって出力の一部ＬＲが受光素子９に入射し、残りが透過光Ｌ３’として出力される。部分反射ミラー８は、一般的な光学ガラスによる表面反射を利用して出力光Ｌ３の一部を反射する。受光素子９は反射光ＬＲの出力に比例した電気信号Ｅを生成し、出力安定化回路１０へ出力する。出力安定化回路１０は、受光素子９により得られた電気信号Ｅが一定に保たれるように半導体レーザ１に供給する駆動電流Ｉを制御しレーザ光出力Ｌ３を一定に制御するＡＰＣ（Auto Power Contorol）機能を行う。
【０００９】
なお、この出願の発明に関連する先行技術文献を以下に示す。
【特許文献１】特開平１０−９３１６６号公報
【特許文献２】特開２０００−１１４６３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、この従来の波長変換固体レーザ装置１１においては、出力安定化制御をかけていても励起光強度や温度変化により出力が変動しやすいという問題がある。
【００１１】
これは、温度や励起光強度による固体レーザ媒質２および非線形光学素子３の屈折率変化やレーザ共振器６内での光出力の干渉により、高調波出力の偏光状態の変化、即ち偏光比や偏光回転角が変動することで、部分反射ミラー８の実効反射率が変化してその反射光ＬＲの出力が変動し、高調波Ｌ３が一定の光出力であっても変動があったと出力安定化回路１０で判断され誤った出力制御が行われることによる。
【００１２】
以下具体的に説明すると、固体レーザ媒質２で発振する基本波の発振レーザ光Ｌ２は、直線偏光として発振する。この発振レーザ光Ｌ２が非線形光学素子３を通過する際に楕円偏光化し、固体レーザ媒質２へ戻ったときに偏光の回転が生じる。この回転の程度は、固体レーザ媒質２の温度、非線形光学素子３の温度、半導体レーザ１から固体レーザ媒質２への励起入力等により変化する。
【００１３】
また、レーザ共振器６内で発生した高調波は入力側反射鏡４と出力側反射鏡５の両側に向けて出射する。この場合、入力側反射鏡４で反射した高調波成分と出力側反射鏡５方向に発生した高調波成分とで光束は一致するが、位相が非線形光学素子３の温度により変化するため、合成された高調波成分は偏光状態が一定しない。このため、部分反射ミラー８に入射する高調波Ｌ３の出力は、Ｐ偏光成分とＳ偏光成分の割合が変動することとなる。
【００１４】
Ｐ偏光とＳ偏光は、図６のガラス表面における偏光反射特性に例示するように、各々の反射率が、反射する角度により大きく異なる。従って、高調波Ｌ３の偏光比が変わると部分反射ミラー８での高調波Ｌ３の実効反射率が変化してその反射光ＬＲの出力が変動し、実際の高調波出力が一定でも、出力安定化回路１０で出力が変化したと判断され誤った出力安定化制御が行われることで、結果的に高調波Ｌ３の出力安定化機能が損なわれてしまう。
【００１５】
本発明は上述の問題に鑑みてなされ、出力レーザ光の偏光状態に関係なくレーザ出力の安定化を図ることができる光励起固体レーザ装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
以上の課題を解決するに当たり、本発明は、励起光を出射する励起源と、励起源からの励起光によって励起されて発振光を発生する固体レーザ媒質と、固体レーザ媒質から出力される発振光を部分的に取り出す光分岐素子と、光分岐素子で取り出された発振光を受光して電気信号に変換する受光素子と、受光素子の出力を受けて励起光の出力を一定に制御する出力安定化回路とを備えた光励起固体レーザ装置において、上記光分岐素子は、固体レーザ媒質からの出力光の一部を反射し残りを透過させる部分反射ミラーでなり、この部分反射ミラーの反射面には、当該出力光のＰ偏光成分とＳ偏光成分とを互いに略同等の反射率で反射させる光学膜が形成されている。
【００１７】
本発明においては、部分反射ミラーの反射面に形成された光学膜によって、出力光のＰ偏光成分とＳ偏光成分とが互いに略同等の反射率で反射されるようにしているので、固体レーザ媒質で発振される出力光の偏光状態に関係なく、受光素子に入力される反射光強度を一定に維持して、出力安定化制御を適正に行えるようにしている。
【００１８】
部分反射ミラーとしては、その表裏面を反射面として有するものが用いられ、その少なくとも一方の面に上記光学膜を形成することができる。あるいは、一方側の面に上記光学膜を形成するとともに、他方側の面には出力光に対して反射防止となる反射防止膜を形成することができる。
【００１９】
上記光学膜の構成は特に限定されないが、例えば、酸化タンタル膜と酸化珪素膜とを交互に複数積層した多層膜で構成することができる。
【００２０】
また、部分反射ミラーに入射される出力光は、固体レーザ媒質の発振レーザ光に限られず、それを波長変換した高調波レーザ光とすることも可能である。この場合、固体レーザ媒質の出力端側に波長変換素子（非線形光学素子）が設けられる。
【発明の効果】
【００２１】
以上述べたように、本発明の光励起固体レーザ装置によれば、出力光の偏光状態に関係なく、受光素子に入力される反射光強度を一定に維持することができるので、固体レーザ媒質の温度や励起パワーに影響されない安定したレーザ光出力を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００２３】
図１は本発明の実施の形態を示している。本実施の形態では、本発明の光励起固体レーザ装置を、波長変換固体レーザ装置２１に適用した例について説明する。
【００２４】
本実施の形態の波長変換固体レーザ装置２１は、励起源としての半導体レーザ１と、基本波レーザ光を出力する固体レーザ媒質２と、波長変換素子としての非線形光学素子３と、固体レーザ媒質２の光入射側端面に配置された平面状の入力側反射鏡４と、非線形光学素子３の光出射側端面に配置された平面状の出力側反射鏡５とを備えている。
【００２５】
半導体レーザ１は、電圧を印加すると所定の波長のレーザ光を発振する素子、例えばガリウム・アルミニウム砒素（ＧａＡｌＡｓ）レーザダイオード素子で構成されている。本実施の形態では、励起光として波長８０８ｎｍのレーザ光Ｌ１を発振するレーザ素子が用いられている。なお、発振レーザ光Ｌ１は、連続光でもよいしパルス光でもよい。
【００２６】
固体レーザ媒質２としては、例えばＮｄ：ＹＶＯ4 が用いられ、非線形光学素子３としては、例えばリンチタン酸カリウム（ＫＴｉＯＰＯ4 ；ＫＴＰ結晶）が用いられるが、これ以外にも、固体レーザ媒質２としてＮｄ：ＹＡＧ、非線形光学素子３としてＢＢＯ（β−ＢａＢ2Ｏ4）等の他の結晶材料を用いることができる。なお、固体レーザ媒質２と非線形光学素子３とは、接着等により互いに一体化されたコンビネーション結晶として構成してもよい。
【００２７】
入力側反射鏡４及び出力側反射鏡５は、固体レーザ媒質２及び非線形光学素子３を挟装してレーザ共振器６を構成する。レーザ共振器６は、半導体レーザ１が発光したレーザ光（励起光Ｌ１）が入射されることにより、固体レーザ媒質２で波長１０６４ｎｍの基本波レーザ光Ｌ２を発生させ、更に、非線形光学素子３で当該基本波の第２高調波（波長５３２ｎｍ）の緑色レーザ光Ｌ３を発生させて外部へ出射する。
【００２８】
入力側反射鏡４には、基本波Ｌ２及び高調波Ｌ３に対しては高反射で、励起光Ｌ１に対しては反射防止（ＡＲ）とされるミラーコート膜が形成されている。一方、出力側反射鏡５には、基本波Ｌ２に対しては高反射で、高調波Ｌ３に対しては反射防止とされるミラーコート膜が形成されている。
【００２９】
また、本実施の形態の波長変換固体レーザ装置２１においては、レーザ共振器６の出射端側に、励起光Ｌ１と基本波レーザ光Ｌ２に対しては非透過で高調波レーザ光Ｌ３のみ透過させる光学フィルタ７と、本発明に係る光分岐素子２２とが順に配置されている。
【００３０】
光分岐素子２２は、その表裏面を光の反射面として有する光学ガラス２３と、この光学ガラス２３の表面側（光学フィルタ７側）に形成された部分反射膜２４とで構成された部分反射ミラーとされている。この光分岐素子２２は、光学フィルタ７を介して入射する高調波レーザ光Ｌ３の一部（概ね２〜１０％）を部分反射膜２４で反射し、残りを透過させる。
【００３１】
部分反射膜２４は、当該光分岐素子２２に入射する高調波出力光Ｌ３のＰ偏光成分とＳ偏光成分とを互いに略同等の反射率で反射させる光学膜で構成されている。具体的には、Ｐ偏光成分とＳ偏光成分との反射率の差が０．５％以内となるように部分反射膜２４が構成されている。
【００３２】
この部分反射膜２４の構成の具体例を図２に示す。部分反射膜２４は、光学ガラス２３上に酸化タンタル（Ｔａ2Ｏ5）膜２４Ａと酸化珪素（ＳｉＯ2 ）膜２４Ｂとが交互に複数積層された多層膜構造を有している。
【００３３】
そして、１層目の酸化タンタル膜２４Ａの膜厚を１２７．７７ｎｍ、２層目の酸化珪素膜２４Ｂの膜厚を１６１．５９ｎｍ、３層目の酸化タンタル膜２４Ａの膜厚を１７３．７３ｎｍ、４層目の酸化珪素膜２４Ｂの膜厚を８９．５６ｎｍにし、その反射面の法線方向に対して高調波出力光Ｌ３の入射角が約２４°となるようにして、高調波出力光波長（５３２ｎｍ）におけるＰ偏光成分の反射率を６．９％、Ｓ偏光成分の反射率を７．１％としている。
【００３４】
光分岐素子２２で反射された高調波出力光の反射光ＬＲは、受光素子９へ入射される。受光素子９は、反射光ＬＲの出力強度に比例する電気信号Ｅを生成し、生成した電気信号Ｅを出力安定化回路（ＡＰＣ回路）１０へ供給する。出力安定化回路１０は、受光素子９により得られた電気信号Ｅが一定に保たれるように、半導体レーザ１に供給する駆動電流Ｉを制御しレーザ光出力Ｌ３を一定に制御するＡＰＣ機能を行う。
【００３５】
以上のように構成される本実施の形態の波長変換固体レーザ装置２１においては、半導体レーザ１から出射されたポンピング光Ｌ１が固体レーザ媒質２へ入射し、入力側反射鏡４と出力側反射鏡５とで形成したレーザ共振器６により、基本波の発振レーザ光Ｌ２を得る。そして、この基本波の発振レーザ光Ｌ２が非線形光学素子３を通過することにより基本波レーザ光Ｌ２の波長変換が行われ、出力側反射鏡５から高調波レーザ光Ｌ３として出力される。
【００３６】
こうして出力された高調波レーザ光Ｌ３は、励起光Ｌ１と基本波Ｌ２に対しては非透過で高調波Ｌ３に対しては透過の光学フィルター７を通った後、光分岐素子２２によって出力の一部が反射され、その反射光ＬＲが受光素子９へ入射し、残りが透過光Ｌ３’として出力される。受光素子９は、反射光ＬＲの出力に比例した電気信号Ｅを生成し、出力安定化回路１０へ出力する。出力安定化回路１０は、受光素子９により得られた電気信号Ｅが一定に保たれるように半導体レーザ１に供給する駆動電流Ｉを制御しレーザ光出力Ｌ３を一定に制御する。
【００３７】
このとき、従来の波長変換固体レーザ装置１１（図５）においては、部分反射ミラー８が一般的な光学ガラス（表面無コート）で構成されていたため、高調波Ｌ３の偏光比が変わると、部分反射ミラー８での反射光ＬＲの出力に変動が生じていた。
【００３８】
即ち、高調波Ｌ３の出力Ｐは、Ｐ偏光成分の出力ＰｐとＳ偏光成分の出力Ｐｓの和で表される。
Ｐ＝Ｐｐ＋Ｐｓ  …（１）
一方、部分反射ミラー８は、反射透過特性に偏光依存性を有するため、Ｐ偏光成分に対する反射率をＲｐ、Ｓ偏光成分に対する反射率Ｒｓとすると、反射光ＬＲの出力Ｐｒは、以下のようになる。
Ｐｒ＝Ｒｐ・Ｐｐ＋Ｒｓ・Ｐｓ  …（２）
従って、（１）式及び（２）式より、
Ｐｒ／Ｐ＝Ｒｐ（Ｐｐ／Ｐ）＋Ｒｓ（Ｐｓ／Ｐ）  …（３）
の関係が得られ、高調波出力Ｐの偏光比の変動が、そのまま反射光出力Ｐｒの変動をもたらすことになる。
【００３９】
これに対して本実施の形態の波長変換固体レーザ装置２１においては、光分岐素子２２の部分反射膜２４により、高調波出力のＰ偏光成分とＳ偏光成分とが互いに略同等の反射率で反射されるようにしているので、Ｐ偏光成分に対する反射率とＳ偏光成分に対する反射率をともにＲｐｓとすると、上記（２）式は、
Ｐｒ＝Ｒｐｓ・（Ｐｐ＋Ｐｓ）  …（２）’
となる。これにより、
Ｐｒ／Ｐ＝Ｒｐｓ｛（Ｐｐ／Ｐ）＋（Ｐｓ／Ｐ）｝＝Ｒｐｓ…（３）’
となり、高調波出力Ｐの偏光比の影響を受けることなく、反射光出力Ｐｒが一定する。
【００４０】
従って本実施の形態によれば、高調波Ｌ３の偏光状態に関係なく、受光素子９に入力される反射光強度Ｐｒを一定に維持することができるので、固体レーザ媒質２等の温度や励起パワーに影響されない安定した高調波出力Ｐを得ることができる。
【００４１】
図３Ａ〜Ｃは、本発明に係る光分岐素子２２の他の実施の形態をそれぞれ示している。
【００４２】
図３Ａに示した構成は、光学ガラス２３の表面側だけでなく裏面側にも同様な構成の部分反射膜２４を形成した例を示している。これにより、光学ガラス２３の裏面側で反射する高調波出力の偏光状態によらない反射光が得られ、高調波出力制御の安定性を更に高めることができる。
【００４３】
図３Ｂに示した構成は、光学ガラス２３の表面側に部分反射膜２４を形成し、裏面側に高調波出力に対して反射防止となる反射防止膜２５を形成した例を示している。また、図３Ｃに示した構成は、光学ガラス２３の表面側に反射防止膜２５を形成し、裏面側に部分反射膜２４を形成した例を示している。これらの構成例によれば、部分反射膜２４が形成された一方側の面においてのみ高調波出力の一部を反射させるようにしているので、両面で反射する光の相互の干渉等による影響を受けることなく、高調波の安定した出力制御を実現することが可能となる。
【００４４】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、勿論、本発明はこれに限定されることなく、本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。
【００４５】
例えば以上の実施の形態では、固体レーザ媒質２で発振したレーザ光Ｌ２を非線形光学素子３で第２高調波に波長変換し出力する、波長変換固体レーザ装置に本発明を適用した例について説明したが、波長変換型に限られず、固体レーザ媒質２で発振したレーザ光Ｌ２をそのまま出力光とする固体レーザ装置にも、本発明は適用可能である。
【００４６】
また図４に示したように、光分岐素子２６として、励起光Ｌ１及び基本波Ｌ２に対しては非透過で高調波Ｌ３に対しては透過の光学フィルタ２７の少なくとも一表面に部分反射膜２４を形成したものを用いても、上述の実施の形態と同様な効果を得ることができる。この場合、光分岐素子２６と受光素子９との間に、上記実施形態と同様な構成の光学フィルタ７を配置するとより好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の実施の形態による波長変換固体レーザ装置２１の構成を説明する概略図である。
【図２】本発明に係る光分岐素子２２を構成する部分反射膜２４の一構成例を示す断面図である。
【図３】光分岐素子２２の他の構成例を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態の変形例を示す概略構成図である。
【図５】従来の波長変換固体レーザ装置の概略構成図である。
【図６】ガラス表面における偏光反射率特性を示す図である。
【符号の説明】
【００４８】
１…半導体レーザ（励起源）、２…固体レーザ媒質、３…非線形光学素子（波長変換素子）、４…入力側反射鏡、５…出力側反射鏡、６…レーザ共振器、９…受光素子、１０…出力安定化回路、２１…波長変換固体レーザ装置（光励起固体レーザ装置）、２２…光分岐素子、２３…光学ガラス、２４…部分反射膜、２４Ａ…酸化タンタル膜、２４Ｂ…酸化珪素膜、２５…反射防止膜。
【図１】
2006237530.tif 000003
【図２】
2006237530.tif 000004
【図３】
2006237530.tif 000005
【図４】
2006237530.tif 000006
【図５】
2006237530.tif 000007
【図６】
2006237530.tif 000008